大数据5G通信面临的电磁兼容挑战及解决方法是什么

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1、背景

目前，国际上对于5G移动通信的需求已经迫在眉睫。按照通信行业的预期，5G应当实现比4G快十倍以上的传输速率，即5G的传输速率可实现1 Gb/s。这就意味着用5G传输一部1GB大小的高清电影仅需要10秒！

由香农公式可知，增加频谱的带宽可增加无线传输速率。但5GHz以下的通信频段已经非常拥挤，因此毫米波技术就成为了5G通讯的关键。随着通信频率的提高，5G通信面临的电磁兼容挑战也应运而生。 

2、5G通信面临的EMC问题和挑战

（1）天线与空间电磁波之间的EMC干扰

空间中存在着不同形式的电磁波，5G基站系统可能会与其他设备产生同频干扰、邻频干扰和减敏干扰。

传统的无线通信系统中，通常用到介质滤波器和SAW（Surface Acoustic Wave，声表面波）滤波器。介质滤波器虽然有较好的性能，但体积大，不便于用到便携式设备中。SAW滤波器适用于1.5 GHz以下，但工作频率超过1.5 GHz时，SAW的Q值开始下降，到2.5 GHz时，SAW的选择性已经只能用在一些要求比较低的场合。所以，3.5 GHz频段的移动通信系统采用基于CMOS工艺的BAW（Bulk Acoustic Wave, 体声波）滤波器，而BAW滤波器抑制带外杂散的能力相对较弱。因此，需要寻找新的方案解决5G通信天线系统与空间电磁波之间的EMC干扰。

（2）天线不同单元之间的互扰

5G通信中采用的MIMO技术使得5G天线的单元个数大大增加，在紧凑的大规模阵列天线中，存在不同单元之间的互扰。举例来说，一个阵列天线单元的部分辐射会被其相邻单元所接收，耦合至相邻单元的端口，进而破坏原有天线的端口隔离度等性能。

一般来说，可通过在单元间引入电磁带隙、缺陷地等滤波结构来降低单元间的干扰。然而，在5G通信系统中，往往会用到大规模的天线阵列。若在每两个天线单元间均采用滤波结构隔离，那么通信系统的整体尺寸将会十分庞大。如何在保证体积满足要求的同时，减小大规模天线阵列单元之间的互扰成为了新的挑战。 

（3）板级EMC问题

5G通信还将面临许多板级EMC挑战，如天线与PCB集成的EMC问题。随着天线尺寸的减小，针对5G天线和PCB的协同设计，如振子的反射面和散热器的散热齿结合，同间隙波导的概念类似，属于天线设计、散热、EMC的交叉地带，需要考虑电磁与热等多物理场的建模与仿真。然而，目前的商业软件在支持多物理场方面还不太成熟。

3、人工电磁表面可以解决5G通信中的EMC问题

近年来，迅猛发展的新一代人工电磁媒介，如光子晶体、超材料等，为电磁波的调控提供了强有力的理论基础。通过改变人工电磁媒介的相关拓扑，能够调控其对于外来电磁波的响应，从而达到自然界中的材料所不能实现的属性，如负介电常数、负磁导率等。基于这种新型的电磁调控方式，各国学者已做了大量的仿真、理论和实测工作，设计了诸如完美透镜、电磁集中器、隐身大衣等新一代人工电磁调控器件，为人工电磁调控开拓了新的方向。但人工电磁媒介本质上是一种三维形式的结构，存在着造价昂贵、剖面高、物理空间大等问题，极大地制约了相关器件在实际工程中的应用。

为此，人工电磁表面的出现成为近年来电磁领域研究的热点。人工电磁表面也可以视为人工电磁媒介的一种，但却是其二维表现形式。新型的人工电磁表面不仅具有较强的空间电磁调控能力，更兼有体型薄、插损小等诸多优点，在诸如天线RCS缩减，雷达隐身等实际工程领域都具备广泛的应用价值。

作为一种典型的人工电磁表面，频率选择表面已越来越多地出现在电磁相关领域,其工艺成熟、剖面低、成本廉价，可直接与通信系统形成一体化结构，如微波器件的屏蔽、隐身雷达罩，以及民用天线罩等等。频率选择表面独特的滤波特性和潜在的隐身功能，可以为5G通信天线系统中存在的电磁兼容问题提供可行的解决方案。

天线罩是用来保护天线乃至整个微波系统免受环境影响的外壳。人工电磁结构中涉及的电磁场控制理论为设计新型的天线罩提供了理论基础，通过合理调整基于频率选择结构的天线罩拓扑，有望将系统性能的不良影响降至最低的同时，提高系统的通带插损及带外抑制能力，降低来自工作频带外的杂散信号干扰。

4、5G通信天线罩的EMC应用实例

目前国际上对于5G通信频段标准不一。针对其中28 GHz频段处的通讯指标，本文介绍一款可应用于实际场景中的天线罩结构，如下图所示。该频率选择结构由三层金属层组成，上下两层为相同的金属贴片层，中间层为刻有4个中心对称排列的Z字形缝隙的金属层。为了使通带与阻带的下降沿变得更为陡峭，在中间层还引入了一个方环型的缝隙结构，用以在通带外引入一个额外的传输零点。借助全波软件仿真，可以使该天线罩-3 dB带宽为20.07%，覆盖24.72~30.24 GHz，通带插入损耗小于0.15 dB，带宽和插入损耗均符合28 GHz通带的要求。

加工样品包含40×40个单元结构，整体尺寸为248 mm×248 mm。通过自由空间测试方法，可以获得该天线罩的频率响应。为了消除环境电磁干扰，整个测试过程在微波暗室中进行。

从下图中的测试结果可知，所设计的结构可以产生一个32.30~33.75 GHz的阻带，阻带的抑制深度可以达到25 dB，可以极大抑制该频段处的杂散信号干扰。

对于倾斜角入射的电磁波而言，其频率响应结果下图所示，可以发现，所设计的结构对于入射角度0~40度变化时并不敏感。其主要原因是引入了一些小型化的Z字型缝隙结构以及利用多层耦合结构减少了其厚度。此外，由于结构的高度对称性，它对于TE和TM两种极化的电磁波均不敏感。因此，该结构对于不同角度、不同极化的EMI干扰信号都具有抑制作用。

对于此结构的改进方案，可以利用二点五维拓扑的频率选择结构来延长周期内表面电流的流经长度，使得入射角度大于40度时，单元周期间的相位差减小，从而提高角度稳定性。由此可见，加装此类周期性频率选择天线罩，是一种能有效抑制5G天线与空间电磁间EMC干扰的方案。

通信频率不断升高，天线以及封装的尺寸将越来越小；通信芯片速率不断上升，传统的封装结构在高频处会出现辐射超标。下一步可探索天线封装一体化设计的封装天线及新型的封装结构。

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